IZMJENJIVAČI TOPLINE
DEFINICIJADEFINICIJA
• Izmjenjivači topline su uređaji u kojima se toplinska energija prenosi sa jednog fluida na drugi bez međusobnog miješanja ta dva fluida
primjena• grijanje• kondenzatori• isparivači• hladnjak• radijator• predgrijači ili hladila fluida• hlađenje vode, zraka
(npr.kompresori)• bojleri• ventilacija• klima uređaji• elektronička oprema
• Obzirom na konstrukciju• Smjer strujanja fluida• Mehanizam prijenosa topline• Način dovođenja fluida u kontakt
KLASIFIKACIJA IZMJENJIVAČA TOPLINEKLASIFIKACIJA IZMJENJIVAČA TOPLINE
1. Obzirom na konstrukcijupločastispiralnicijevni
Pločasti izmjenjivači toplinePločasti izmjenjivači topline
Cijevni izmjenjivači toplineCijevni izmjenjivači topline
Spiralni izmjenjivači toplineSpiralni izmjenjivači topline
2. način strujanja fluidaistostrujniprotustrujnikrižni
istostrujni
protustrujni
Križni izmjenjivači topline
• Za opis izmjene topline do koje dolazi u izmjenjivaču topline potrebno je poznavanje principa izmjene topline kondukcijom, konvekcijom i često radijacijom
STIJENKA
topli fluid
hladni fluid
ulazTT1
izlazTT2
ulazTH1
izlazTH2
konvekcija
konvekcijakondukcija
3. Mehanizam prijenosa toplinekonvekcijakondukcijaradijacija
4. Način dovođenja fluida u kontaktdirektni kontaktindirektni kontakt (preko površine stijenke)
Direktni izmjenjivači toplineDirektni izmjenjivači topline
Vruća ogrijevna para
Hladna voda
Topla voda
Ohlađena para
Direktni izmjenjivač topline za zagrijavanje vode
DIZAJN IZMJENJIVAČA TOPLINEDIZAJN IZMJENJIVAČA TOPLINE
Obuhvaća:• toplinsku analizu procesa• procjenu snage pumpe• procijenu veličine i težine uređaja• pad tlaka• cijenu• odabir fluida u cijevi i u plaštu
Dizajn
• definirani uvjeti procesa (protoci, T, p)• poznata fizikalna svojstva u radnom intervalu• odabir vrste izmjenjivača topline• veličina uređaja (površina izmjene - preko K)• ekonomski aspekt
Odabir fluida u cijevi i plaštu
• značajan utjecaj na izvedbu, ekonomski aspekt i održavanje izmjenjivača topline
• naslage• radni tlak• korozija• viskoznost• protoci
Naslage
• fluid koji izaziva stvaranje više naslaga na cijevi trebao bi strujati kroz cijevi
• mnogo jednostavnije čišćenje• brzina strujanja fluida u cijevima je veća , što
rezultira otkidanjem naslaga
Radni tlak
• kroz cijevi fluid sa većim radnim tlakom
• ukoliko kroz plašt struji fluid pod visokim tlakom debljina stijenke bi morala biti veća
Korozija
• korozivniji fluid kroz cijevi
Velika viskoznost/Mali protoci
• potrebni su veliki koeficijenti prijenosa toplineα – veći kod turbulentnog strujanja
• turbulencija se lakše postiže na strani plašta• Re < 200 u cijev; višestruki prolaz
TOPLINSKA ANALIZATOPLINSKA ANALIZA
• ulazne i izlazne temperature oba fluida• specifični toplinski kapaciteti toplog i hladnog
fluida• količina topline koja se mora izmjeniti• koeficijenti prijenosa topline, α, i koeficijent
toplinske vodljivosti stijenke, λ• otpori naslaga (fouling faktor)• ODABIR KONFIGURACIJE IT-a
površina izmjene topline → veličina značajna za dizajn
Toplinska bilanca izmjenjivača toplineToplinska bilanca izmjenjivača topline
• Bilancna jednadžba
hladni fluid
topli fluid
Q, količina prenesene topline, W• m, maseni protok, kg s-1
• cp, specifični toplinski kapacitet, J kg-1 K-1
• T, temperatura, K
( )ulHizHHpHH TTcmQ ,,, −⋅⋅=
( )izTulTTpTT TTcmQ ,,, −⋅⋅=
• vodeni ekvivalent ili kapacitivna brzina
• m, maseni protok, kg s-1
• cp, specifični toplinski kapacitet, J kg-1 K-1
• C, vodena vrijednost, J s-1 K-1
Vodena vrijednost fluidaVodena vrijednost fluida
pcmC ⋅=
• uz pretpostavku da nema gubitaka topline
• fluid koji ostvari veću razliku temperatura ima manju vodenu vrijednost
TTpTHHpH TcmTcm Δ⋅⋅=Δ⋅⋅ ,,
H
T
T
H
TT
CC
ΔΔ
=
HT TT Δ>Δ HT CC <
minCCT =
• Kinetička jednadžba
• Q, količina prenesene topline, W• K, koeficijent prolaza topline, W m-2 K-1
• A, površina izmjene topline, m2
ΔTlm, pokretačka sila procesa, K
LMTAKQ Δ⋅⋅=
• definira se kao recipročna vrijednost sume svih otpora prisutnih u sustavu
KOEFICIJENT PROLAZA TOPLINEKOEFICIJENT PROLAZA TOPLINE
∑=
iiR
K 1
∑∑∑ ++=
lfl
kkkond
jjkonv RRR
K..
1
Koeficijent prolaza topline
• PP:– K=const– dobra procijena α, λ– stvarna pokretačka sila
α1
=kikonvekcijsRλLR kikondukcijs = fR
αα, , koeficjentkoeficjent prijelaza topline , W mprijelaza topline , W m--11 KK--11
λλ, koeficijent toplinske vodljivosti, W m, koeficijent toplinske vodljivosti, W m--22
KK--11
RRff, , FoulingFouling faktorfaktor
turbulentnopodručje
graničnisloj
TT
TH
Dv-Du
TSvTSu
Rv RS Ru
• za prijenos topline preko ravne plohe
∑+++=
lf
uvRLK
αλα111
• kod cijevnog izmjenjivača topline:
• u kinetičku je jednadžbu potrebno uvrstiti površinu uz koju se nalazi najveći otpor prijenosu topline
• vanjska površina cijevi
• unutarnja površina cijevi
• srednja površina
LDA vv ⋅⋅⋅= π2
LDA uu ⋅⋅⋅= π2
( )
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅−⋅⋅
=
u
v
uvlm
rr
LrrA
ln
2 π
• obzirom na vanjsku površinu cijevi
• obzirom na unutarnju površinu cijevi
vvf
u
vvuf
uu
v RDDD
RDD
K
αλα1ln1
1
,, ++⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅++
=
vfvv
u
u
vuuf
uR
DD
DDD
RK
,,1ln1
1
αλα
ru
rv
• površina izložena konvekcijskom prijenosu topline nije ista za oba fluida (kod cijevnih izmjenjivača topline)
• za preliminarni dizajn uređaja preporuča se procjena koeficijenta prolaza topline
• (literatura nudi velik broj podataka za različite geometrije izmjenjivača topline, uvjete strujanja i materijale od kojih su načinjeni)
LMuuLMvv TAKTAKQ Δ⋅⋅=Δ⋅⋅=
Cijevni izmjenjivači topline
Topli fluid Hladni fluid K, Wm-2°C-1
IT voda voda 800-1500 org.otapalo org.otapalo 100-300 plinovi plinovi 5-35 Hladnjaci or.otapalo voda 250-750 plinovi voda 5-35 voda morska voda 600-1200 Grijači para voda 1500-4000 para plinovi 30-300 para org.otapalo 500-1000 Kondenzatori vodena para voda 1000-1500 org.pare voda 700-1000 Isparivači para vodena otopina 1000-1500 para org.otpala 600-1200
Reaktori s plaštem Plašt Reaktor K [W/m2C]
Para Razrjeđena vodena otopina 500 - 700
Para Organska otapala 250 - 500
Voda Razrjeđena vodena otopina 200 - 500
Voda Organska otapala 200 - 300
Uronjene zavojnice Zavojnica Bazen K [W/m2C]
Prirodna cirkulacija Para Razrjeđena vodena otopina 500 - 1000
Vodena otopina
Voda 200 - 500
Prisilna cirkulacija Para Razrjeđena vodena otopina 800 - 1500
Vodena otopina
Voda 400 - 700
Zrakom hlađeni izmjenjivači
Radni fluid K [W/m2C]
voda 300-450
niži CH 300-700 viši CH 50-150
plinovi 50-300
kondenzirajući CH 300-600
FoulingFouling faktor, faktor, RRff, m, m22 K WK W--11
• rad izmjenjivača topline ovisi o površini izmjene topline koja mora biti čista i nekorodirana
• otpori naslaga povećavaju otpore prijenosu topline i Δp, što rezultira smanjenjem djelotvornosti uređaja
• Fouling faktor se određuje ekperimentalnotestirajući izmjenjivač topline sa i bez naslaga
• 10-5 < Rf < 10-4
naslagabeznaslagamasaf KK
R__
11−=
otpori naslaga
• Fouling – bilo koja promjena na stijenci izmjenjivača topline, posljedica koje je smanjen prijenos topline
• kristalizacija• taloženje organskih tvari• polimerizacija i oksidacija• taloženje mulja, hrđe ili prašine• biološke naslage• korozija
Kristalizacija
• pokretačka sila prezasićenje• porast T porast topljivosti• izuzetak CaSO4
• karbonati Mg, Ca• sulfati veći toplinski gubici• kristalizacija počinje nuklecijom• glatke i hrapave površine
Rezultat kemijske reakcije
• Organske tvari • na toploj površini IT• čvrste čestice ili gusti mulj se akumuliraju na
površini
• Polimerizacija• Oksidacija
Taloženje
• muljevi• hrđa• prašina
• u fluidu prisutne čvrste čestice (npr. rashladna voda)• taloženje ovisi o karakteristikama čestica i brzini
strujanja
• neke se čestice mogu zapeći na površini
Biološke naslage
• alge• gljivice• vlaknaste bakterije
• hvataju se za suspendirane hranjive tvari i tvore sluz koja se lijepi na površinu IT
• redukcija protoka i prijenosa topline
• kloriranje• Cu-Ni materijali
Korozija
• oksidacija metala• elektrokemijska korozija otopljenim kisikom ili kiselim
otopinama
• hrđanje i kvar IT
• Mehaničko čišćenje– struganje, četkanje– fluid u cijev
• Kemijsko čišćenje– otapalo ili kemijska reakcija– plašt
• Ispiranje
Uklanjanje naslaga
Pokretačka sila, Pokretačka sila, ΔΔTTlmlm
• kod realnog izmjenjivača topline K=f(L) jer se koeficijenti prijelaza topline mijenjaju po duljini izmjenjivača
• ukupna količina prenesene topline računa se iz kinetičke jednadžbe:
• za preliminarni se proračun uzima da je K=const.α... koeficijent prijelaza topline ovisi o vodljivosti fluida i debljini toplinskog graničnog sloja
• debljina sloja ovisi o režimu strujanja (Re=f(v, d, ρ, η)), pri čemu su ρ, η podložni temperaturnoj promjeni
pokretačka sila
• dobro miješanje• stacionaran rad• cp=const.• K=const.• zanemarivi gubici
• PP: mH=const, mT=constcpH=const, cpT=constK=constnema gubitaka toplinenema kondukcije u aksijalnom smjeru (duž cijevi)
TTT1T1 TTT2T2
TTH2H2 TTH1H1
ΔTlok
ΔT2ΔT1 ΔT1≠ΔT2
( ) dTcmdATTKdQ pHT ⋅⋅=⋅−⋅=
( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⋅Δ⋅−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−=Δ=−
HTHTHT CC
dATKCC
dQTddTdT 1111
( )∫∫ ⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅−=
Δ dACC
KdT
Td
HT
11
QTTAKA
CCK
TT TH
HT
Δ−Δ⋅⋅−=⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ΔΔ 11ln
1
2
lmTAK
TT
TTAKQ Δ⋅⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ΔΔ
Δ−Δ⋅⋅=
1
2
12
ln
TT--A ili TA ili T--L dijagramiL dijagrami--istostrujniistostrujni tok fluidatok fluida
TT
LLTTH1H1
TTH2H2
TTT1T1
TTT2T2
ΔTT
ΔTH
( ) dATTKdQ HT ⋅−⋅= ΔT2ΔT1
TTT1T1
TTH1H1
TTT2T2
TTH2H2
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ΔΔ
Δ−Δ=Δ
1
2
12
lnTT
TTTlm
111 HT TTT −=Δ
222 HT TTT −=Δ
IT 1IT 1--11
TT--A ili TA ili T--L dijagramiL dijagrami--protustrujni tok fluidaprotustrujni tok fluida
TT
LL
TTH1H1
TTH2H2
TTT1T1
TTT2T2
ΔTT
ΔTH
( ) dATTKdQ HT ⋅−⋅=
ΔT2
ΔT1
TTT1T1
TTH1H1
TTT2T2
TTH2H2
211 HT TTT −=Δ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ΔΔ
Δ−Δ=Δ
1
2
12
lnTT
TTTlm
122 HT TTT −=Δ
IT 1IT 1--11
Maksimalna razlika temperaturaMaksimalna razlika temperatura
• Razlika ulaznih temperatura toplog i hladnog fluida
11max HT TTT −=Δ
Izmjenjivači topline složene Izmjenjivači topline složene geometrijegeometrije
• u izmjenjivaču topline složene geometrije izmjenjuje se veća količina topline između toplog i hladnog fluida
• ako je površina izmjene topline ista, za jednaku količinu izmjenjene topline, izmjenjivač složene geometrije može se smjestiti na manjem prostoru
• svode se na jednostruki protustrujni izmjenjivač topline tipa 1-1 (1 proaz kroz plašt i 1 prolaz kroz cijev)
• količina topline koja se izmjenjuje između toplog i hladnog fluida u izmjenjivaču topline
FTAKQ LM ⋅Δ⋅⋅=
Izmjenjivač topline tipa 1Izmjenjivač topline tipa 1--11
Izmjenjivač topline tipa 1Izmjenjivač topline tipa 1--22
Izmjenjivač topline ş križnim tokomIzmjenjivač topline ş križnim tokom-- jedan fluid s miješanim tokomjedan fluid s miješanim tokom
Izmjenjivač topline ş križnim tokomIzmjenjivač topline ş križnim tokom-- nemiješaninemiješani tok fluidatok fluida
• F=0..1 korekcijski faktor F=f(P, R, geometrija)
• F korigira složenu geometriju i omogućava korištenje jednostavog izraza za tok topline
• za izračunavanje parametara P i R potrebno je poznavanje ulaznih i izlaznih temperatura oba fluida
• ako je F < 0,75 izmjenjivač topline nije dobar• za različite geometrije izmjenjivača postoje
dijagrami iz kojih se uz poznate parametre P i R može očitati korekcijski faktor F
Korekcijski faktor, FKorekcijski faktor, F
maxTT
P cijev
Δ
Δ=
TT
LL
TTH1H1
TTH2H2
TTT1T1
TTT2T2
ΔTT
ΔTH
ΔT2
ΔT1
TTT1T1
TTH1H1
TTT2T2
TTH2H2
ΔTT
ΔTH
ΔTmaxcijev
plašt
TT
RΔ
Δ=
Izmjenjivač topline tipa 1Izmjenjivač topline tipa 1--22
Izmjenjivač topline tipa 2Izmjenjivač topline tipa 2--44
Križni izmjenjivač toplineKrižni izmjenjivač toplinejedan fluid miješanijedan fluid miješani
Križni izmjenjivač toplineKrižni izmjenjivač toplinebez miješanja fluidabez miješanja fluida
• korekcijski faktor F može se izračunati korištenjem sljedećeg izraza:
( ) ( )( )⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡++⋅−
−+−⋅−
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
⋅−−
⋅=
BRPBRPR
PRPB
F
1212ln1
11ln
( ) 2/121 RB +=
Efikasnost izmjenjivača toplineEfikasnost izmjenjivača topline
max
var
QQ nast=ε
TCQ nast Δ⋅= minvar
( )izHulT TTCTCQ ,,minmaxminmax −⋅=Δ⋅=
maxmin
min
TCTC
Δ⋅Δ⋅
=ε
maxTT
ΔΔ
=ε
• Promotrimo jednostavni izmjenjivač topline tipa 1-1 s istostrujnim tokom fluida
• za CH < CT:
• za CT < CH:
maxminmaxmin TCTC
TCTC TTHH
Δ⋅Δ⋅
=Δ⋅Δ⋅
=ε
maxTTH
H ΔΔ
=ε
maxTTT
T ΔΔ
=ε
• za CT < CH:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅
⋅−=
−−
H
T
THulTul
HizTiz
CC
CAK
TTTT 1exp
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⋅−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
HTHulTul
HizTiz
CCAK
TTTT 11ln
( ) ( )TizlTulTHulHizHnast TTCTTCQ −⋅=−⋅=var
( )TizlTulH
THulHiz TT
CCTT −⋅+=
H
T
H
T
TT
CC
CC
CAK
+
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅−−
=1
1exp1ε
• za CH < CT:
• općenito
T
H
T
H
HH
CC
CC
CAK
+
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅−−
=1
1exp1ε
max
min
max
min
min
1
1exp1
CC
CC
CAK
+
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⋅⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅−−
=ε
Broj jedinica prijenosa, NTU
• mjera veličine izmjenjivača topline• direktno je u funkciji površine izmjene (geometrijske
karakteristike)• hidrodinamičke karakteristike utječu na K, Cmin
• izmjenjivač topline koji po jedinici volumena ima najveću površinu → DOBAR IT
FTAKQTCQ
lm ⋅Δ⋅⋅=Δ⋅= min
FTT
CAKNTU
lm ⋅ΔΔ
=⋅
=min
FTAKTC lm ⋅Δ⋅⋅=Δ⋅min
( )[ ]C
CNTU+
+⋅−−=
11exp1ε
max
min
CCC =
minCAKNTU ⋅
=
• jednostruki istostrujni
( )[ ]C
CNTU+
+⋅−−=
11exp1ε
• jednostruki protustrujni
( )( )
( )( )CNTU
CNTU
eCe
−⋅−
−⋅−
⋅−−
= 1
1
11ε
• izmjenjivač topline tipa 1-2
• izmjenjivač topline 1-n
( )
( )( )
1
2
1
1
1 11
1122
2−
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +⋅−
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +⋅−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡+⋅
−
+++⋅= C
e
eCCNTU
CNTU
ε
• izmjenjivač topline tipa 2-4
• n prolaza kroz plašt• 2n, 4n, 6n prolaza kroz
cijev1
1
1
1
1
111
11
−
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⋅−⋅
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⋅−= CCC
nn
n εε
εε
ε
( )
( )( )
1
2
1
1
1 11
1122
2−
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +⋅−
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ +⋅−
⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢
⎣
⎡+⋅
−
+++⋅= C
e
eCCNTU
CNTU
ε
• izmjenjivač topline s križnim tokom - nemiješanitok fluida
( ) ( )[ ][ ]{ }1expexp1 78,022,0 −⋅−⋅⋅−≈ NTUCNTUCε
• izmjenjivač topline s križnim tokom - miješani tok fluida
• Cmin nemiješani
• Cmax nemiješani
( )[ ][ ]{ }NTUCC −−⋅−−⋅= exp1exp1ε
( )( )[ ]{ }CNTUC ⋅−−⋅−−= exp1exp1ε
Posebni slučajevi
• C=0• jedan od radnih fluida mijenja agragatno stanje
(kondenzatori, isparivači)
• C=1
( )NTU−−= exp1ε
( )22exp1 NTU⋅−−
=ε
• NTU→∞• protustrujni IT ε→1• velika površina izmjene topline
• istostrujni IT ε→0,5• NEPOVOLJNO
Izmjenjivači topline s ekspandiranom Izmjenjivači topline s ekspandiranom površinompovršinom
ekspandirana površina
• ako je koeficijent prijelaza topline jednog fluida znatno manji od drugogαA1≈ αA2
• dovoljan razmak da se spriječi zadržavanje (5mm)• ukupna površina nije efikasna – otpor kondukcije
Aksijalno orebrenje
Pregrade
• mogućnost curenja na spojevima krivi ΔT
• korekcijski dijagrami za konfiguraciju i curenje
Pregrade
• snop cijevi skup, podložan koroziji• razmak između pregrada 1/5 promjera plašta (ne
manji od 50,8 mm)• pridržavaju snop cijevi (nosači)• služe za prijenos topline• poprečni tok osiguravaju nije dobro za horizontalni
kondenzator• u snopu ne moraju sve cijevi biti iste duljine• uzdžne pregrade – fiksne cijevi s više prolaza kroz
plašt
www.engineeringpage.comwww.processassociates.com
Top Related